CN107634746A

CN107634746A - 半导体装置

Info

Publication number: CN107634746A
Application number: CN201710524342.7A
Authority: CN
Inventors: 阿部佑哉; 小滨考德
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2018-01-26
Also published as: US20180026614A1; US10396767B2; JP2018014561A

Abstract

提供一种半导体装置，该半导体装置具备即使在输入信号中叠加有浪涌电压、高频噪声的情况下也能够准确地判定输入信号的信号水平的输入判定电路。该半导体装置具备：彼此分离的第一基准电位及第二基准电位；第三电位，其电位比第一基准电位及第二基准电位高；输入判定电路，其具有比较器和参考电压生成电路，所述比较器以第一基准电位为基准来被驱动，具有输入电压端子和参考电压端子，所述参考电压生成电路将从被插入在第二基准电位与第三电位之间的恒流源与电阻的连接点生成的参考电压输入到比较器的参考电压端子；以及第一低通滤波器，其被插入在信号输入系统与第二基准电位之间，该信号输入系统与比较器的输入电压端子连接。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及一种具备对输入信号水平进行判定的输入判定电路的半导体装置。

背景技术

一般在基于输入信号来驱动半导体开关元件的半导体装置中设置输入判定电路，该输入判定电路具有对输入信号电压水平进行判定的比较器。另外，在对以绝缘栅双极型晶体管(以下IGBT)为代表的能够流通大电流的功率开关进行驱动的情况下，无法忽视作为电流路径的布线等微小电阻成分，例如存在如下情况：最靠近功率开关元件的地的电位上升同该微小电阻与大电流之积相应的量，成为误动作的原因，因此，有时与信号传递用的地分开来使用(例如参照专利文献1)。

在专利文献1所记载的输入判定电路中，如图6所示，具有比较器102，该比较器102连接在直流输入端子101与第一基准电位G1的地GND1之间，被提供直流电源。通过该比较器102将从ECU 103输入的输入信号电压Vin与参考信号电压Vref进行比较来进行水平判定。在此，输入到比较器102的参考电压Vref是从连接在直流输入端子101与第二基准电位G2的地GND2之间的恒流电路105与电阻106间的连接点输出的，该第二基准电位G2与第一基准电位G1不同。而且，恒流电路107与P沟道MOSFET 108的串联电路与恒流电路105并联连接，从比较器102输出的判定信号Sj被提供到P沟道MOSFET 108的栅极。由此，输入信号电压Vin与参考信号电压Vref是以同一基准电位(地GND2)形成的，因此能够通过比较器102进行精度高的输入判定。

专利文献1：日本专利第5900149号公报

发明内容

发明要解决的问题

另外，在专利文献1所记载的输入判定电路中，即使在基准电压源的电位、比较器的驱动电压发生变动的情况下，只要不脱离比较器的同相输入电压范围，就能够使输入信号电压与参考信号电压的电位差固定来准确地判定输入信号电压。然而，来自ECU的输入信号被直接提供到比较器的输入电压端子，因此存在以下问题：在该输入信号中叠加有浪涌电压、噪声的情况下，判定结果会受浪涌电压、高频噪声的影响。

另一方面，在专利文献1所记载的输入判定电路中，为了去除浪涌电压、高频噪声，可考虑如图6所示那样在电阻106同地GND2的连接点与比较器102同地GND1的连接点之间连接应对噪声用的电容器109。为了充分去除噪声，本来在输入信号电压Vin与地GND1之间也应该有电容器，但是已确认了利用电容器109也对于噪声具有足够的抗性。

然而，为了利用连接在地GND1与GND2之间的电容器109来应对噪声，电容器109的容量需要为几十nF左右，电容器会变得大型而无法内置于半导体芯片，要将电容器外置，从而存在部件数量增加的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种具备不将电容器外置就能够去除浪涌电压、高频噪声的输入判定电路的半导体装置。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明所涉及的半导体装置的一个方式具备：彼此分离的第一基准电位及第二基准电位；第三电位，其电位比第一基准电位及第二基准电位高；输入判定电路，其具有比较器和参考电压生成电路，该比较器以第一基准电位为基准来被驱动，具有输入电压端子和参考电压端子，该参考电压生成电路将从被插入在第二基准电位与所述第三电位之间的恒流源与电阻的连接点生成的参考电压输入到比较器的参考电压端子；以及低通滤波器，其被插入在信号输入系统与第一基准电位或第二基准电位之间，该信号输入系统与比较器的输入电压端子连接。

发明的效果

根据本发明，不将电容器外置就能够不受浪涌电压、高频噪声的影响而稳定地判定输入信号水平，因此能够在维持功能的同时廉价地制造半导体装置。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的半导体装置的一个实施方式的电路图。

图2是表示能够应用于图1的输入判定电路的第一实施方式的电路图。

图3是表示输入判定电路的第二实施方式的电路图。

图4是表示输入判定电路的第三实施方式的电路图。

图5是表示输入判定电路的第四实施方式的电路图。

图6是表示半导体装置的以往例的电路图。

附图标记说明

1：感应性负载；2：IGBT；3：信号发生装置；4：输入判定电路；5：驱动电路；GND1、GND2：地；20：分压电路；20a、20b：电阻；21：第一低通滤波器；21a：电容器；22：比较器；23：参考电压生成电路；23a：第一恒流源；23b：电阻；23c：第二恒流源；23d：P沟道MOSFET；23e：N沟道MOSFET；24：直流电源端子；31：第二低通滤波器；31a：电阻；31b：电容器；32：第三低通滤波器；32a：电阻；32b：电容器。

具体实施方式

接着，参照附图来说明本发明的一个实施方式。在下面的附图记载中，对同一或类似的部分标注同一或类似的标记。

另外，下面示出的实施方式用于例示用于将本发明的技术思想具体化的装置、方法，本发明的技术思想并不是将结构部件的材质、形状、构造、配置等指定为下述的材质、形状、构造、配置等。本发明的技术思想能够在权利要求书中记载的权利要求所规定的技术范围内追加各种变更。

下面，伴着图1来说明遵循本发明的第一实施方式所涉及的具备输入判定电路的半导体装置。

本发明的第一实施方式所涉及的半导体装置例如使用于对点火线圈的感应负载进行驱动的点火器等。该半导体装置具备对感应性负载1进行驱动的IGBT 2。另外，半导体装置具备：信号发生装置3，其输出用于使IGBT 2导通截止的信号；输入判定电路4，其判定从该信号发生装置3输出的输入信号的电压水平，识别导通截止；以及驱动电路5，其基于输入判定电路4的判定输出来控制和驱动IGBT 2。

IGBT 2的集电极经由感应性负载1连接于直流电源端子6，IGBT 2的发射极连接于被设定为第一基准电位G1的地GND1，IGBT 2的栅极连接于驱动电路5。

信号发生装置3例如由引擎控制单元(ECU)等构成，连接于具有与第一基准电位G1分离的第二基准电位G2的地GND2，输出用于驱动IGBT 2的脉冲状的控制电压。

输入判定电路4将从信号发生装置3输入的输入信号电压与参考电压进行比较来判定电压水平，将判定结果输出到驱动电路5。

驱动电路5基于从输入判定电路4输入的判定信号来形成针对IGBT 2的栅极信号，并且还负责对IGBT 2的电流限制控制、过通电时的自切断等保护控制。

接着，输入判定电路4如图2所示那样构成。

即，输入判定电路4具备：从信号发生装置3输入的输入电压Vin的分压电路20；第一低通滤波器21，其使用该分压电路20的电阻，去除输入电压Vin的噪声；比较器22，其将该第一低通滤波器21的输出电压与参考电压Vref进行比较；以及参考电压生成电路23，其向该比较器22提供参考电压Vref。

分压电路20具有串联连接在信号发生装置3的输出侧与地GND2之间的电阻20a及电阻20b。从这些电阻20a与电阻20b的连接点输出分压电压。

第一低通滤波器21利用分压电路20的电阻20a和电容器21a来具有一阶RC滤波器的结构，该电容器21a连接在该电阻20a同比较器22的输入电压端子之间的连接点与地GND2之间。在此，电容器21a的容量依据所需要的截止频率，被设定为几pF～几百pF左右。

比较器22连接在具有比第一基准电位G1及第二基准电位G2高的第三电位VDD的直流电源端子24与具有第一基准电位G1的地GND1之间来被驱动。从第一低通滤波器21输出的滤波器输出电压作为输入电压Vin被提供到该比较器22的输入电压端子，从参考电压生成电路23输出的参考电压Vref被提供到该比较器22的参考电压端子，该比较器22在Vin<Vref时输出低水平的判定信号Sj，在Vin≥Vref时输出高水平的判定信号Sj。

参考电压生成电路23连接在具有比第一基准电位G1及第二基准电位G2高的第三电位VDD的直流电源端子24与第二基准电位G2的地GND2之间。

该参考电压生成电路23具备：串联连接在直流电源端子24与地GND2之间的、第一恒流源23a与电阻23b的串联电路；以及与第一恒流源23a并联连接的、第二恒流源23c与P沟道MOSFET 23d的串联电路。而且，从第一恒流源23a及P沟道MOSFET 23d与电阻23b的连接点输出的参考电压Vref被输入到比较器22的参考电压端子。

在此，P沟道MOSFET 23d的源极连接于第二恒流源23c，P沟道MOSFET 23d的漏极连接于第一恒流源23a与电阻23b的连接点，P沟道MOSFET 23d的体端连接于直流电源端子24，并且，P沟道MOSFET 23d的栅极连接于比较器22的输出侧。

因而，P沟道MOSFET 23d在从比较器22输出的判定信号Sj处于低水平时成为导通状态，在判定信号Sj处于高水平时成为截止状态。

因此，关于从参考电压生成电路23输出的参考电压Vref，在P沟道MOSFET 23d处于导通状态时，第一恒流源23a的恒流Ic1和第二恒流源23c的恒流Ic2流过电阻23b，因此当将电阻23b的电阻值设为R0时，参考电压Vref1为下式，成为识别输入信号接通的参考电压。

Vref1＝(Ic1+Ic2)×R0

与此相对，在P沟道MOSFET 23d处于截止状态时，只有第一恒流源23a的恒流Ic1流过电阻23b，因此参考电压Vref2为下式，

Vref2＝Ic1×R0

成为识别输入信号断开的参考电压。

接着，说明上述第一实施方式的动作。

当在当前IGBT 2处于截止状态的状态下从信号发生装置3输出的输入信号从低水平反转为高水平时，通过输入判定电路4判定该输出的信号的电压水平，若该输出的信号为参考电压Vref以上，则判定信号Sj从低水平反转为高水平。该判定信号Sj被传递到驱动电路5来使IGBT 2通电，从而向感应性负载1提供电流。

此时，在输入判定电路4中，在从信号发生装置3输出的输入信号为低水平时，比较器22的输入电压Vin低于参考电压Vref，因此从比较器22输出的判定信号Sj维持低水平。

因而，在参考电压生成电路23中，低水平的判定信号Sj被提供到P沟道MOSFET 23d的栅极，因此该P沟道MOSFET 23d成为导通状态。因此，电阻23b被提供将第一恒流源23a的恒流Ic1与第二恒流源23c的恒流Ic2相加后得到的电流Ic1+Ic2。因而，输入信号从低变为高时的参考电压是Vref1，被输入到比较器22的参考电压端子。

当在该状态下从信号发生装置3输出的输入信号从低水平反转为高水平时，在输入到输入判定电路4的比较器22的输入电压Vin变为参考电压Vref1以上的时间点，判定信号Sj从低水平反转为高水平。

当像这样判定信号Sj变为高水平时，参考电压生成电路23的P沟道MOSFET 23d变为截止状态，只有第一恒流源23a的恒流Ic1流过电阻23b。

因而，从参考电压生成电路23输出的参考电压Vref从参考电压Vref1切换为参考电压Vref2。因此，即使在输入电压Vin产生振荡的情况下，从比较器22输出的判定信号Sj也维持高水平。

然后，当由于从信号发生装置3输出的输入信号从高水平反转为低水平而输入到比较器22的输入电压端子的输入电压Vin降低至小于参考电压Vref2时，判定信号Sj从高水平反转为低水平。因此，参考电压生成电路23的参考电压Vref也恢复为参考电压Vref1，即使输入电压Vin发生振荡，从比较器22输出的判定信号Sj也维持低水平。

因而，在输入判定电路4中，相对于输入电压Vin形成滞后(hysteresis)特性，能够不受振荡的影响而得到准确的判定信号Sj。

输入到该比较器22的输入电压Vin和参考电压Vref均以地GND2的第二基准电位G2为基准。因此，即使在第二基准电位G2发生变动的情况下，也能够准确地维持输入电压Vin与参考电压Vref之间的关系，只要处于比较器的同相输入电压范围内，输入判定电路就能够准确地判定输入电压Vin。

另外，在用于输入从信号发生装置3输出的输入信号的输入电压系统与具有第二基准电位G2的地GND2之间，连接有第一低通滤波器21。因此，在从信号发生装置3输出的输入信号中叠加有浪涌电压、高频噪声的情况下，能够将这些浪涌电压、高频噪声的噪声成分通过第一低通滤波器21释放到地GND2，因此施加于比较器22的输入电压Vin与参考电压Vref之间的关系、即差动成分成为去除噪声成分后的信号电压。

因而，在比较器22中，能够不受叠加于输入信号的噪声成分的影响而准确地进行输入电压Vin的水平判定。

这样，为了去除从信号发生装置3输出的输入信号中叠加的浪涌电压、高频噪声，只要在比较器22的输入信号系统中设置低通滤波器21即可。另外，通过事先利用分压电路20对输入信号进行分压，能够使比较器22的同相输入电压范围实质上变大，因此即使基准电压G1与基准电压G2的电位差比较大也能够准确地进行输入电压的水平判定。而且，能够将与负责起到分压电路20的作用的电阻20a一起构成低通滤波器的电容器21a的容量抑制为小到例如几pF～几百pF左右，从而不需要将电容器外置，能够将设置有低通滤波器的输入判定电路收纳到半导体芯片来实现小型化。

接着，伴着图3来说明本发明所涉及的输入判定电路4的第二实施方式。

在该第二实施方式中，省略了前述的第一实施方式中的以第二基准电位为基准的第一低通滤波器，取而代之设置了以作为比较器的基准电位的第一基准电位为基准的低通滤波器。

即，在第二实施方式中，输入判定电路4如图3所示那样省略了第一实施方式中的构成第一低通滤波器21的电容器21a，取而代之在紧邻着比较器22的输入电压端子和参考电压端子之前设置了第二低通滤波器31和第三低通滤波器32。

其它结构具有与前述的第一实施方式同样的结构，因此对与图1对应的部分标注同一标记，省略其详细说明。

在该第二实施方式中，第二低通滤波器31利用电阻31a和电容器31b来构成为一阶RC滤波器结构，该电阻31a连接在分压电路20的电阻20a同电阻20b的连接点与比较器22的输入电压端子之间，该电容器31b连接在该电阻31a同比较器22的输入电压端子的连接点与具有第一基准电位G1的地GND1之间。

另外，第三低通滤波器32利用电阻32a和电容器32b来构成为一阶RC滤波器结构，该电阻32a连接在参考电压生成电路23的第一恒流源23a及P沟道MOSFET 23d同电阻23b的连接点与比较器22的参考电压端子之间，该电容器32b连接在该电阻32a同比较器22的参考电压端子的连接点与具有第一基准电位G1的地GND1之间。

在该第二实施方式中，关于输入判定电路4的基本动作，进行与前述的第一实施方式同样的动作，但是在与比较器22连接的输入电压系统和参考电压系统中叠加有浪涌电压、高频噪声的噪声成分时，能够将这些噪声成分释放到共同的第一基准电位G1的地GND1。

因而，能够在比较器22之前可靠地去除向比较器22输入的输入电压系统和参考电压系统中叠加的噪声成分。另外，通过使构成滤波器31的电阻31a和电容器31b以及构成滤波器32的电阻32a和电容器32b的常数相同，能够相对于基准电位G1与基准电位G2的过渡性的电位变化维持输入电压与参考电压的电位关系。即，能够对于同相噪声具有抗性，因此能够更准确地进行稳定的输入判定。

接着，伴着图4来说明本发明的第三实施方式所涉及的输入判定电路。

在该第三实施方式中，配置了前述的第一实施方式的第一低通滤波器以及第二实施方式的第二低通滤波器和第三低通滤波器这两方。

即，在第三实施方式中，如图4所示，在输入判定电路4的靠近信号发生装置3的输入侧的输入电压系统与第二基准电位G2的地GND2之间连接有第一低通滤波器21。

另外，在输入判定电路4的比较器22的输入侧的输入电压系统与具有第一基准电位G1的地GND1之间连接有第二低通滤波器31。

并且，在输入判定电路4的比较器22的输入侧的参考电压系统与具有第一基准电位G1的地GND1之间连接有第三低通滤波器32。

其它结构具有与前述的第一及第二实施方式同样的结构，对与图1及图3对应的部分标注同一标记，省略其详细说明。

根据该第三实施方式，在输入判定电路4的信号发生装置3侧连接有第一低通滤波器21，在比较器22的输入侧的输入电压端子侧连接有第二低通滤波器31，在比较器22的输入侧的参考电压端子侧连接有第三低通滤波器32。因此，对于向比较器22输入的输入电压系统和参考电压系统中叠加的浪涌电压、高频噪声等的噪声成分，差动成分和同相成分均能够可靠地去除，能够进行不受噪声影响的高精度的输入判定。

接着，伴着图5来说明本发明的第四实施方式所涉及的输入判定电路。

在该第四实施方式中，变更了第一～第三实施方式中的选择参考电压生成电路的第二恒流源的开关元件。

即，在第四实施方式中，如图5所示，将上述的第三实施方式中的输入判定电路4的参考电压生成电路23的P沟道MOSFET 23d置换为N沟道MOSFET 23e。与此相应地，在比较器22的输出侧设置输出与判定信号Sj反相的反相判定信号Sjb的输出端子，将该反相判定信号Sjb提供到N沟道MOSFET 23e的栅极。

在该第四实施方式中，仅将第三实施方式中的用于选择参考电压生成电路23的第二恒流源23c的连接的半导体开关元件变更为N沟道MOSFET 23e，其它结构具有与图4同样的结构。因此，能够具有与前述的第三实施方式同样的噪声去除功能。

另外，用于得到输入判定电路4的滞后特性的结构从P沟道MOSFET 23d变更为N沟道MOSFET 23e，在比较器22中设置输出与判定信号Sj反相的判定信号Sjb的端子，将该反相判定信号Sjb提供到N沟道MOSFET 23e的栅极。

因而，在比较器22的判定信号Sj为低水平时，反相判定信号Sjb为高水平，与此相应地N沟道MOSFET 23e成为导通状态。因此，能够从参考电压生成电路23得到参考电压Vref1。

反之，在比较器的判定信号Sj从低水平反转为高水平时，反相判定信号Sjb为低水平，与此相应地N沟道MOSFET 23e成为截止状态。因此，能够从参考电压生成电路23得到参考电压Vref2。

此外，在上述第四实施方式中，说明了在比较器22中设置输出反相判定信号Sjb的输出端子的情况，但是不限定于此，也可以将判定信号Sj经由作为逻辑反转电路的NOT电路(反相器)提供到N沟道MOSFET 23e的栅极。

另外，在上述第二～第四实施方式中，说明了使用第二低通滤波器31和第三低通滤波器32的电容器31b和32b的情况，但是也能够取而代之应用构成比较器22的MOSFET的寄生栅极电容。

并且，在上述第一～第四实施方式中，说明了对感应性负载1串联连接IGBT 2来控制流过感应性负载1的电流的情况，但是不限定于此，也可以将感应性负载连接于电源端子与IGBT 2的集电极的连接点。

另外，在上述第一～第四实施方式中，信号发生装置3的结构不限于引擎控制装置，能够设为其它任意的信号发生装置的结构，输出的控制信号也不限于脉冲状信号，能够应用正弦波信号、三角波信号等任意的信号形式。

并且，在上述第一～第四实施方式中，说明了使输入判定电路4具有滞后特性的情况，但是不限定于此，也能够省略第二恒流源23c和P沟道MOSFET 23d或N沟道MOSFET 23e，来设为不具有滞后特性的输入判定电路。

Claims

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：

彼此分离的第一基准电位及第二基准电位；

第三电位，其电位比所述第一基准电位及所述第二基准电位高；

输入判定电路，其具有比较器和参考电压生成电路，所述比较器以所述第一基准电位为基准来被驱动，具有输入电压端子和参考电压端子，所述参考电压生成电路将从被插入在所述第二基准电位与所述第三电位之间的恒流源与电阻的连接点生成的参考电压输入到所述比较器的参考电压端子；以及

第一低通滤波器，其被插入在信号输入系统与所述第二基准电位之间，所述信号输入系统与所述比较器的输入电压端子连接。

2.一种半导体装置，其特征在于，具备：

彼此分离的第一基准电位及第二基准电位；

输入判定电路，其具有比较器和参考电压生成电路，所述比较器以所述第一基准电位为基准来被驱动，具有输入电压端子和参考电压端子，所述参考电压生成电路将从被插入在所述第二基准电位与所述第三电位之间的恒流源与电阻的连接点生成的参考电压输入到所述比较器的参考电压端子；

第二低通滤波器，其被插入在信号输入系统与所述第一基准电位之间，所述信号输入系统与所述比较器的输入电压端子连接；以及

第三低通滤波器，其被插入在参考电压系统与所述第一基准电位之间，所述参考电压系统处于所述参考电压生成电路与所述参考电压端子之间。

3.一种半导体装置，其特征在于，具备：

彼此分离的第一基准电位及第二基准电位；

第一低通滤波器，其被插入在信号输入系统与所述第二基准电位之间，所述信号输入系统与所述比较器的输入电压端子连接；

第二低通滤波器，其被插入在所述信号输入系统与所述第一基准电位之间；以及

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的半导体装置，其特征在于，

与所述恒流源并联地连接有第二恒流源与开关元件的串联电路，根据所述比较器的输出信号来控制该开关元件，使该开关元件具有滞后特性。

5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，

所述开关元件由P沟道MOSFET和N沟道MOSFET中的一方构成。